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具有較高熒光量子產率及定位型超分辨成像能力的季銨化哌嗪羅丹明染料介紹

發布時間：2021-09-01 作者：axc 分享到：

具有較高熒光量子產率及定位型超分辨成像能力的季銨化哌嗪羅丹明染料介紹

羅丹明染料雖然被應用于超分辨成像，但其熒光亮度通常受激發后分子內扭轉電荷轉移（TICT）的非輻射躍遷過程的影響（圖1a），其成像潛力并未得到完全的釋放。通過對羅丹明的供體胺基進行環固定，可以**其激發態扭轉，即TICT態，從而提升羅丹明的熒光量子產率。但依照這種策略，傳統的羅丹明染料110的生物相容性較弱且合成路線復雜。

因此，研究者提出了一種季銨化哌嗪的新策略。該策略通過將具有吸電子效應的季銨基團連接在供體芳香胺上，降低了胺基的整體供電子能力，使得羅丹明染料的TICT態更不穩定，從而****TICT態的形成。

如圖1b，我們**通過理論計算，比較了一系列供體胺基的離子化能。結果顯示季銨化哌嗪具有較大的離子化能，其供電子效應較弱。接著，我們對傳統的四甲基羅丹明和季銨化哌嗪羅丹明在水中的S1勢能面進行了比較（圖1c）。計算結果顯示相較于四甲基羅丹明，季銨化哌嗪羅丹明給體的旋轉能壘更高，且驅動能更小，因而更不容易形成TICT態。我們推測這種染料具有更高的亮度。

圖1 理論計算預測季銨化哌嗪策略可以**TICT態形成。

為了驗證上述計算結果，我們合成了季銨化哌嗪羅丹明，并與傳統四甲基羅丹明的光物理性質進行了比較（圖2a）。在水溶液中，季銨化哌嗪羅丹明的熒光量子產率（0.92）大約是四甲基羅丹明（0.47）的兩倍，并且保持了羅丹明染料特有的高摩爾消光系數，有很高的亮度（熒光量子產率X摩爾消光系數）。我們進一步合成了季銨化哌嗪羅丹明的羧基衍生物，將其標記在生物大分子-抗體蛋白上，測量了其單分子光物理性質（圖2b）。通過一系列詳細的比較驗證，我們發現季銨化哌嗪羅丹比四甲基羅丹明有更好的單分子亮度及更多的總收集光子數，表現出更強的單分子定位超分辨成像潛力。光譜及單分子的實驗結果與理論計算的預期一致。

圖2 季銨化哌嗪策略的光譜和單分子研究。

為了證實這種染料的定位型超分辨成像的能力，我們緊接著嘗試運用標記有季銨化哌嗪羅丹明的抗體進行了微管標記的超分辨成像。由于季銨化哌嗪羅丹明的優秀光物理性質，超分辨成像清晰而準確地揭示了微管交錯、彎曲的結構。在同等條件下，我們還比較了四甲基羅丹明的成像效果（圖3），進一步展示了季銨化哌嗪羅丹明在定位型成像中可以提供更高的定位密度和更好的定位型超分辨成像的能力。